日军惟恐傅作义的部队摧毁他们的伪政权，急忙派王英的部队进占大庙，增强百灵庙外围的防御力量，又命令伪蒙军第七师在百灵庙构筑工事，积极备战。他们增派两百多名日本军官补充到伪军中任指导官，另外，还准备抽调日军和伪满军从赤峰开往多伦、商都和百灵庙等地，寻找机会进攻绥远东部和北部。
傅作义得知日军的企图，决定抢在日伪军进攻前先发制人，派部队远距离奔袭，出敌不意，收复百灵庙，捣毁敌军巢穴。他在归绥新城召开军事会议，决定集中三个骑兵团、三个步兵团和炮兵、装甲车分队一部，由骑兵第二师师长孙长胜任前敌总指挥，步兵第二一一旅旅长孙兰峰任副总指挥，发动收复百灵庙的战役。
参战部队向百灵庙以南三十五千米处的二分子镇附近集结。夜间，天寒地冻，气温低于摄氏零下二十度，积雪没过了战士们的膝盖，部队艰难地快行军，开到敌军阵地前沿，在零点开始攻击。由于部队行动秘密，日伪军事先毫无察觉，听见枪声大作，才慌乱进行抵抗。
进攻部队向纵深突击。在敌军阵地上，日本特务头子胜岛角芳拔刀督战，又下令给女儿山阵地增送十多挺轻重机枪。敌军火力加强，突击部队受阻。孙长胜明白，天亮后，敌军会得到地空两方面的增援，务必在拂晓前歼灭敌军。他命令山炮营向前推进，集中火力摧毁女儿山的敌军机枪阵地，又派出装甲车掩护步兵攻击前进。